Escuela de Ingeniería Mecánica – Universidad Industrial de SantanderMarzo 11, 2013, Bucaramanga, Santander, COLOMBIA

TRABAJO SISTEMAS TERMICOSSIMULACION DE UNA CALDERA PIROTUBULAR MATLAB-SIMULINK

Juan Mayorga GiraldoCód.2073405

Bucaramanga, Santander, Colombia

Jhonny J. Ramírez CarrilloCód. 2053528

Bucaramanga, Santander, Colombia 

José Alejandro BayonaCód.2070313

Bucaramanga, Santander, Colombia 

Adrian Sánchez CéspedesCód.2052054

Bucaramanga, Santander, Colombia

Carlos Alberto De la Ossa GonzálezCód.2063518

Bucaramanga, Santander, Colombia

Roberto Luis Hernández FarfánCód.2063312

Bucaramanga, Santander, Colombia

Julián Camilo Gómez GuarínCód.2073745

Bucaramanga, Santander, Colombia

Leonardo J. Romero M.Cód.2070344

Bucaramanga, Santander, Colombia

RESUMEN

En este informe analizamos el funcionamiento de una caldera pirotubular, su comportamiento con diferentes tipos de combustibles, y los diferentes procesos que se llevan a cabo en la producción de vapor, adicionalmente se hace una simulación en la interface de Simulink de Matlab.

INTRODUCCIÓN

El desarrollo tecnológico de nuestros días se debe principalmente a la evolución que ha tenido la industria, iniciando por sistemas alimentados por energía térmica, la cual se utilizaba para la generación de vapor (en la mayoría de los casos) y luego, este vapor es utilizado para realizar diversas operaciones, entre las cuales podemos referenciar, el movimiento de sistemas de transporte como lo son los automóviles y los barcos.

En la actualidad, el uso de sistemas alimentados por vapor ya ha sido reemplazado por sistemas eléctricos, neumáticos e hidráulicos, solo para ciertas aplicaciones y procesos aun se usa, como lo es para esterilización, sellado y procesos alimenticios, entre otros.

En este trabajo se hace un análisis detallado de un sistema de generación de vapor, como lo es una Caldera Pirotubular, de 40 BHP, y se realiza también un estudio detallado de su funcionamiento con diferentes tipos de combustibles por medio de un programa de Matlab para luego hacer una simulación de su funcionamiento y su forma de control a partir de la plataforma adicional de este software llamada Simulink.

OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL

Analizar y Simular por medio del software Matlab y su interface de simulación Simulink el comportamiento de la temperatura de llama de los gases con respecto al tiempo de una Caldera Pirotubular fabricada por Hurst Boiler and Welding Company.

OBJETIVOS ESPECIFICOS Analizar y complementar el programa para el

análisis de calderas, facilitado por el profesor.

Estudiar y plantear las relaciones del exceso de aire con respecto a la temperatura de salida de los gases de la combustión y la

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composición de los mismos, tanto para el gas natural como para el propano.

Analizar el comportamiento de todas las propiedades de los fluidos presentes en el proceso y determinar las características dimensionales de la caldera.

Simular el comportamiento de la caldera respecto a un perfil de consumos preestablecido.

MARCO TEÓRICO

Imagen 1. Caldera Pirotubular Partes.

Calderas

Una caldera es una maquina o dispositivo que está diseñado para generar vapor saturado. Las calderas son un caso particular de intercambiadores de calor, en los cuales se produce un cambio de fase. Son recipientes a presión construidos en acero laminado como muchos contenedores de gas.

Las clasificaciones de las calderas se basan en varios factores propios de diseño y uso de estos equipos, tales como tipo de combustible que utilizan, presión de trabajo, volumen de agua, forma de calefacción, etc.

Podemos encontrar calderas clasificadas según:1. Su Posición: horizontales y verticales.

2. Su Instalación: fijas, semifijas o móviles.3. Su Circulación de gases: de un paso, de dos

pasos, de tres pasos y de cuatro pasos.4. Su Volumen de agua por m^2: de más de

150 lts, entre 70 y 150 lts, y menos de 70 lts.

5. Su tipo de Combustible: combustible sólido, líquido y gaseoso.

6. Su Presión de operación: de más de 150 psi, de entre 30 y 150 psi y de menos de 30 psi.

7. Su forma de Calefacción: Pirotubulares, Acuotubulares y Mixtas o Combinadas.

Para este informe nos centramos únicamente en la última clasificación, según su forma de calefacción. Todas las calderas están compuestas por tubos, esta clasificación se presenta según el tipo de fluido que circula en su interior. Según esto existen 3 tipos:

Pirotubulares: Por el interior de los tubos circulan los gases calientes de la combustión. Entre este tipo encontramos:

o Con un tubo hogar.

o Con dos tubos hogares.

o Con tubos Galloway.

o Con tubos múltiples.

Imagen 2. Caldera Pirotubular.

Acuotubulares: Por el interior de los tubos circula agua, mientras que en la superficie externa están en contacto con los gases. Entre este tipo de calderas encontramos:

o De lámina de agua (con tubos rectos o curvos).

o Express (de dos, tres o cuatro colectores).

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Imagen 3. Caldera Acuotubular.

Combinadas o Mixtas: Son aquellas que tienen tubos de agua y de humo.

Gases Combustibles

Un gas combustible es un gas que se utiliza para producir energía térmica mediante un proceso de combustión. Para este análisis utilizaremos 3 diferentes variedades de gases combustibles como lo son el Metano, el Propano y el Gas natural.

Metano (CH4)

Es el menor de todos los hidrocarburos y el más simple de todos. El metano puede quemarse y se utiliza como combustible.

Gas Natural

El gas natural es una mezcla de hidrocarburos livianos en estado gaseoso, que en su mayor parte está compuesto de metano y etano, y en menor proporción de propano y otros hidrocarburos más pesados. Si el contenido de hidrocarburos de orden superior al metano es alto, se le denomina gas rico, de lo contrario se conoce como gas seco. Las principales impurezas que puede contener la mezcla son vapor de agua, gas carbónico, nitrógeno, sulfuro de hidrogeno y helio entre otros. Se obtiene mediante explotación de los depósitos subterráneos en los cuales se encuentra de forma libre o asociado al petróleo. Es utilizado como combustible domestico en la cocción de alimentos y calentamiento de agua principalmente. A nivel industrial es usado como combustible en hornos, secadores y calderas y como materia prima en la producción de hidrogeno, gasolina sintética, fertilizantes, etano, etileno, polietileno y otros productos petroquímicos. En la siguiente tabla podemos observar las posibles combinaciones de los componentes del gas natural.

Tabla 1. Valores Típicos de Composición del Gas Natural.

Para los próximos análisis, vamos a utilizar la siguiente composición del gas natural.

HidrocarburoComposición

QuímicaRango

(en% V)Metano CH4 85Etano C2H6 8

Dióxido de Carbono

CO2 4

Propano C3H8 3Tabla 2. Composición del Gas Natural para

Cálculos.

PROCEDIMIENTO Y CÁLCULOS

La caldera con la que vamos a trabajar es una caldera Pirotubular Dry Back de dos pasos. Para conseguir los objetivos propuestos, iniciamos planteando la combustión de los dos combustibles faltantes como lo son el Gas Natural y el Propano. Desarrollamos la reacción de la combustión para los dos combustibles, suponiendo que en los dos casos tenemos un exceso de aire, planteamos las energías tanto de los reactivos como de los productos, y las temperaturas de ingreso del aire y del combustible a la caldera.

Reacción de Combustión del Gas Natural

Reactivos

Productos

Reacción de Combustión del Propano

Reactivos

NC3H8,r*C3H8 + ALPHA*E*(O2+3.77*N2) ==>> NCO2,p*CO2 +NH2O,p*H2O + NN2,p*N2 +NO2,p*O2

Productos

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NC3H8,r*C3H8 + ALPHA*E*(O2+3.77*N2) ==>> NCO2,p*CO2 +NH2O,p*H2O + NN2,p*N2 +NO2,p*O2

Ya teniendo estas ecuaciones, se procede a plantear, tanto la reacción teórica como la reacción real (con exceso), para los dos gases combustibles y realizar el respectivo cálculo de la temperatura de salida para cada caso, y con el fin de encontrar la relación de exceso de aire vs temperatura de los gases de combustión. A continuación se muestran los cálculos tipo para cada combustible y se anexan los programas de ees en el disco donde también se encuentra la simulación.

CALCULOS TIPO:

1. EES

EES Gas NaturalPartimos de los cálculos y los datos obtenidos de la combustión teórica:

Con estos datos, hacemos lecturas de las propiedades, tanto las entalpias de cada sustancia a la temperatura específica y a la presión de entrada, y la entalpia de formación de cada sustancia.

Partiendo de estos valores, calculamos los deltas de entalpias, que serian la entalpia a la temperatura del gas menos la entalpia a la temperatura de referencia más la entalpia de formación.

De donde planteamos, con las moles de cada sustancia, el balance de energías, donde energía de los reactivos es igual a la energía de los productos, que nos da la temperatura de salida de los gases.

Hp = Hr

Hp = NCO2;p · hCO2;Pr + NH2O;p · hH2O;Pr + NO2;p · hO2;Pr + NN2;p · hN2;Pr

Hr = NCH4;r · hCH4;Tr + NC2H6;r · hC2H6;Tr + NC3H8;r · hC3H8;Tr + NCO2;r · hO2;Tr + NO2;r · hO2;Tr + NN2;r · hN2;TrA partir de esto, hacemos una tabla, donde variamos el exceso de aire en función de la temperatura de salida de los gases.

Tabla 3. Exceso vs Temperatura de Humos.

En esta tabla, variamos el exceso de aire de 0% a 15%, y calculamos las temperaturas y hacemos una regresión lineal, de donde encontramos la siguiente ecuación:

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Tout=2.29159769E+03-1.04462940E+03*E+3.29769221E+02*E2-5.80355440E+01*E3

+5.56211882E+00*E4-2.70939056E-01*E5+5.24209008E-03*E6

De la misma manera, analizamos cada uno de los productos de la combustión y parametrizamos dependiendo del exceso de aire. Aquí mostramos las ecuaciones obtenidas.

De la misma manera, parametrizamos el flujo de aire con respecto a la reacción de la combustión y al exceso de aire.

Encontrando la siguiente ecuación:

Para el Propano (C3H8) se realiza el mismo proceso solo que en vez de ser una mezcla de combustibles, vamos a tener un único hidrocarburo como combustible para analizar, de donde sacamos las siguientes ecuaciones en función del exceso:

2. MATLAB

Con estos cálculos realizados en el software EES, analizamos el programa de Matlab que nos suministro el profesor, agregamos y modificamos lo que creemos necesario para nuestra simulación.

Programa Principal

Como primera medida (Imagen 4.), tomamos los datos anteriormente analizados en el ees y los agregamos como datos de los combustibles, en un switch case, controlado por el popupmenu del guide.

De la misma manera, modificamos el flujo másico de aire de entrada para la combustión para cada caso, teniendo en cuenta, que el flujo volumétrico de combustible esta prefijado por el tipo de caldera que estamos analizando (Imagen 5.).

Programas Segundarios

Los programas que alimentan el programa principal también es necesario modificarlos, debido a que en estos se hace el cálculo de algunas de las propiedades necesarias en el principal.

Para los subprogramas como amistot y emisividad, también se le agrega el Switch Case que incluye los combustibles nuevos. Para el programa segundario que calcula la densidad de los gases de la combustión, PROPden_gas, se le modifica la parte de los combustibles nuevamente, agregando de nuevo un Switch Case, modificando las cantidades de cada uno de los gases que se generan después de la combustión.

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Imagen 4. Switch Case Combustibles.

Imagen 5. Switch Case MAIRE.

Imagen 6. Switch Case combustibles para Amistot y Emisividad.

Imagen 7. Switch Case combustibles para PROPden_gas.3. SIMULINK

Inicialmente, es necesario hacer la caracterización de los parámetros iníciales que estarán manejando nuestra simulación, además de los bloques donde estarán los balances de energía, de masas y el volumen constante además del control de nivel.

CONCLUSIONES

OBSERVACIONES

BIBLIOGRAFIA

https://www.araucaniasur.cl/fileadmin/archivos/ administrador/Bases_concurso/Manual_Operadores_de_Caldera.pdf

http://www.innergy.cl/quees.htm

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http://www.ecopetrol.com.co/documentos/ 42881_HOJA_DE_SEGURIDAD_DEL_GAS_NATURAL.pdf

http://www.ecopetrol.com.co/contenido.aspx? catID=358&conID=42621

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